Конспект лекций Минск, 2000 г. Рекомендуемая литература

Подземное испарение и вымораживание — процессы, вызывающие концентрирование подземных вод вплоть до выпадения растворённого вещества в осадок. Подземное испарение в аридных условиях может играть важную роль в формировании состава очень неглубоко залегающих подземных вод. Некоторые исследователи предполагают возможность подземного испарения в глубоких водоносным горизонтам. Однако вопрос этот дискуссионный. Роль подземного вымораживания аналогична испарению и сопровождается кристаллизацией солей при снижении температуры. Сложный комплекс процессов, связанный с влиянием низких температур на состав вод (криогенная метаморфизация состава вод) имеет место в районах многолетнемёрзлых пород.
Мембранные эффекты. При фильтрации минерализованных подземных вод через породы с различной проницаемостью иногда обращается внимание на возможность концентрирования растворённого вещества путём так называемых мембранных — фильтрационного и осмотического эффектов. Смысл фильтрационного эффекта состоит в том, что тонкодисперсные породы способны пропускать через себя растворитель, а растворённое вещество такой “фильтр” задерживает или пропускает частично. Концентрация профильтровавшегося раствора при этом уменьшается. Пока нет ясности относительно роли фильтрационного эффекта в формировании состава и минерализации подземных вод.
Другая разновидность мембранный эффектов — осмос. Он проявляется, когда в соприкосновение приходят два раствора разной концентрации, которые разделены полупроницаемой перегородкой, пропускающей молекулы растворителя, но препятствующий прохождению частиц растворённого вещества. Растворитель перемещается в направлении выравнивания концентраций. Вопрос о значении осмотического эффекта, как и фильтрационного, в формировании состава подземных вод требует дальнейшего изучения.
При гидрогеохимических исследованиях, при выяснении особенностей формирования состава подземных вод большое значение имеют представления о водной миграции химических элементов. Основы теории миграции элементов заложены А.Е. Ферсманом и В.И. Вернадским, в дальнейшем эти вопросы развивались Б.Б. Полыновым, А.И. Перельма­ном и др. Кратко коснёмся этого вопроса. Различаются внутренние и внешние факторы миграции. Внутренние факторы — свойства химических элементов, определяемые строением атомов. Внешние факторы — температура, давление, рН и Eh, характеристики растворов, т.е. параметры обстановки. Способность химического элемента мигрировать в водной среде определяется величиной коэффициента водной миграции:
,
где: m_х — содержание элемента “х” в воде, г/л; а — минерализация воды, г/л; n_x — процентное содержание элемента “х” в водовмещающих породах или в литосфере (кларк).
Чем выше K_х, тем интенсивнее миграция элементов в природных растворах. Использование коэффициента водной миграции позволяет сравнивать интенсивность миграции распространённых и редких элементов.
Коэффициент водной миграции может рассчитываться для разных типов вод, разных геохимических обстановок (например, окислительной и восстановительной), для Земли в целом. Очень сильная подвижность в разных обстановках свойственна хлору, бору, иоду; сильная — кальцию, магнию, натрию, фтору, стронцию; средняя — кремнию, калию, фосфору; слабая и очень слабая — алюминию, титану, цирконию, редким землям и многим другим.
Итак, мы увидели, какое сложное явление — формирование состава подземных вод, какое множество разнообразных процессов этот состав формируют. А теперь подчеркнем, что эти процессы могут неоднократно сменять друг друга в геологической истории, и состав вод, который мы наблюдаем сегодня в водоносном горизонте, может радикально отличаться от состава воды, которая насыщала эти же породы миллионы лет назад. Можно привести простой пример, В Витебске и его окрестностях на небольших глубинах залегают верхнедевонские карбонатные породы. Это морские образования и первоначально в них находилась захоронённая морская вода. Но теперь эти породы являются основным объектом водоснабжения г. Витебска, т.е. в них залегают пресные воды.
Одним словом, важной задачей является восстановление истории формирования состава подземных вод, т.е. палеогидрогеохимические реконструкции. Серьёзное изучение этого вопроса выходит далеко за пределы нашего маленького курса. Здесь мы рассмотрим лишь несколько штрихов к вопросу, посвящённых, главным образом, палеогидрогеохимической интерпретации ионно–солевого комплекса пород, который, как мы уже говорили, включает твёрдые минералы, поровые растворы и сорбированные ионы.
Поровые растворы начали изучаться в 40–х годах нашего века, когда П.А. Крюко­вым были с помощью специальных прессов отжаты под большим давлением (500–1000 кг/см² и выше) растворы из сухих по внешнему виду пород. Поровые растворы представляют собой физически связанную в породах воду. Наибольшее количество поро­вых растворов отжимается из глин, что связано с их высокой микропористостью. Бывают разные соотношения между составом поровых растворов пород водоносного горизонта и свободной (гравитационной) воды этого горизонта. Поровый раствор и свободная вода могут иметь близкие составы; поровый раствор может быть более концентрированным, чем свободная вода; поровый раствор может быть менее концентрированным, чем свободная вода. Как можно интерпретировать эти соотношения?
Основой интерпретации служит то, что поровый раствор более консервативен, менее подвижен, чем свободная вода, т.е. свободная вода может быть замещена другой водой, а поровый раствор может почти не измениться. Таким образом, по составу поровых растворов можно догадаться о прошлых гидрогеохимических этапах, которые переживала данная осадочная толща.
Важным приёмом палеогидрогеохимических реконструкций служит изучение вторичных минералов, т.е. тех, которые образовались уже после образования породы, а значит в среде подземных вод. Как это делается, лучше всего показать на простых примерах.
Ордовикские породы северо–запада Беларуси, например, в районе Браслава часто представлены органогенными известняками, сложенными остатками мшанок, брахиопод, т.е. организмов, живущих в морской воде нормальной солёности. Таким образом, совершенно ясно, что при накоплении ордовикских отложений в них захоронялись нормально морские воды с минерализацией примерно 35 г/л. В порах и небольших кавернах этих пород встречаются выделения гипса. Гипс не может образоваться из нормально морской воды; чтобы он начал выпадать, эту воду надо сгустить, по крайней мере, в 4 раза. Таким образом, мы приходим к выводу, что на определённом этапе нормально морская вода в ордовикских известняках сменилась рассолом, сгущённым до стадии садки гипса (примерно 140 г/л). Откуда он мог взяться? Если посмотреть геологический разрез этого района, мы увидим, что выше отложений ордовика залегают среднедевонские породы, среди которых есть пласт гипса. То есть в среднедевонское время здесь существовал эвапоритовый бассейн, концентрированные рассолы которого могли просачиваться сквозь дно в ордовикскую толщу и обусловливать кристаллизацию здесь вторичного гипса. Таким образом, мы увидели в гидрогеологической (или гидрогеохимической) истории ордовикской толщи уже два этапа: этап морской воды и этап эвапоритового рассола. Если же я вам скажу, что сейчас в этих отложениям находится почти пресная вода, то, я думаю, станет ясно, какую сложную гидрогеохимическую историю может пережить осадочная толща.
Не менее сложная гидрогеохимическая история переживалась межсолевыми и подсолевыми отложениями Припятского прогиба. Нормально морские воды, о наличии которых здесь можно судить по набору фаунистических остатков в породах и по вторичному кальциту в трещинах, сменялись рассолами разной минерализации, о росте которой свидетельствует зональность вторичных минералов в кавернах и трещинах: периферийная часть пустот заполнена ангидритом (СаSO₄), а центральная — галитом (NaCl).
С целью “извлечения” из пород палеогидрогеохимической информации пользуются также данными водных вытяжек из пород. Измельчённая порода помещается на определенное время в воду, полученный раствор анализируется. Надо иметь в виду, что в водную вытяжку может попасть вещество поровых растворов, легкорастворимых минералов пород и адсорбированные ионы. Существуют и другие методы палеогидрогеохимических исследований. Одним из перспективных является изучение состава жидких и газово–жидких включений во вторичных минералах. Считается, что раствор в этих включениях — реликт раствора, из которого образовался данный минерал.